方俊偉 楊涪杰 賈曉斌 鄧明毅

(①中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院；②中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室；③西南石油大學(xué))

0 引 言

井漏是鉆井施工中的重大技術(shù)難題，鉆遇裂縫則是造成井漏的主要原因，針對鉆遇裂縫的相關(guān)研究有很多。1964年Drummond[1]提出可利用天然裂縫性儲集層的大量鉆井液漏失資料來確定地層巖石孔隙度；1988年 Pouisen[2]基于鉆井流體漏失形態(tài)呈線性并平行于裂縫面、流體漏失服從達(dá)西定理、漏失流體是不可壓縮的和儲集層是無限平行于裂縫面4個假設(shè)前提推導(dǎo)出了描述水力裂縫中流體漏失的通用公式；1990年N.Morita[3]提出了漏失壓力理論, 分析了漏失壓力影響因素；1992年 Dyke等[4]詳細(xì)論述了鉆井過程中的鉆井液漏失響應(yīng), 對鉆井液漏失控制給出了合理的建議；2004年Alexandre Lavtov[5]提出了裂縫性地層的漏失模型, 描述了鉆井液在徑向單裂縫中的漏失機理, 定量描述了鉆井液實時漏失曲線；同年，Lavtov[6]等提出假設(shè)鉆井液為冪律流體，裂縫為有限長的平面圓盤狀，裂縫寬度隨壓力線性變化，建立了單條裂縫的徑向漏失模型；2007年金衍等[7]通過現(xiàn)場漏失井深、工況、發(fā)生率、漏失通道進(jìn)行統(tǒng)計分析，構(gòu)建了統(tǒng)計法計算漏失壓力的模型；2008年朱亮等[8]將統(tǒng)計法建立的漏失壓力計算模型與力學(xué)計算模型進(jìn)行了比較，證明統(tǒng)計法要優(yōu)于力學(xué)計算法。 結(jié)合前人研究，本文提出了一種基于錄井?dāng)?shù)據(jù)的裂縫類型識別方法，使用某區(qū)塊的實鉆資料對該方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行校核。結(jié)果證明裂縫區(qū)分后計算的漏失壓力的結(jié)果更符合現(xiàn)場實際，并通過該方法建立了目標(biāo)層的誘導(dǎo)裂縫地層漏失壓力方程，為該區(qū)塊防漏堵漏提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

1 基于錄井參數(shù)的裂縫漏失壓力理論分析

1.1 錄井?dāng)?shù)據(jù)計算漏失流量

在鉆井過程中，因為存在自然滲漏和填充井中的新鉆空間等不確定因素，所以鉆井液的出口流量一直是波動的(一般為進(jìn)口流量的20%～30%)。這個特點導(dǎo)致現(xiàn)場只能通過對鉆井液池液面變化的記錄獲得鉆井液在一段時間內(nèi)的總漏失量，進(jìn)而計算出漏失流量，往往難以獲得單次井漏過程中鉆井液漏失流量的動態(tài)變化，這將直接掩蓋有價值的漏失流量的變化點與整體變化趨勢。針對這一問題，本文提出借助現(xiàn)場數(shù)據(jù)與漏失發(fā)生后的錄井參數(shù)對漏失發(fā)生后漏失流量的實時變化進(jìn)行計算。

在正常鉆進(jìn)的前提下，可以認(rèn)為進(jìn)出口流量之比C是定值，井漏發(fā)生后現(xiàn)場工程師通過鉆井液池液面變化來統(tǒng)計一段時間內(nèi)的總漏失量QL。因此，通過總漏失量QL和進(jìn)出口流量的比值C即可獲得每個時刻的鉆井液漏失量，即漏失流量VL，再繪制相應(yīng)的散點圖，進(jìn)而得出井漏過程每一時刻的漏失流量。

進(jìn)出口流量比值C：

(1)

式中：C為進(jìn)出口流量比，無量綱；QO為一段時間內(nèi)出口流量的和，m3；QI為一段時間內(nèi)入口流量的和，m3；QL為記錄的鉆井液總漏失量，m3。

某時刻的鉆井液漏失流量VL：

VL=CVI-VO

(2)

式中：VL為某時刻的漏失流量，m3/s；VI為入口流量，m3/s；VO為出口流量，m3/s。

1.2 漏失壓力計算

表示鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度(Equivalent Circulating Density，簡稱ECD)計算模型定義為鉆井液的當(dāng)量靜態(tài)密度(ESD)與鉆井液流動造成的環(huán)空壓耗當(dāng)量密度之和。漏失壓力pL和循環(huán)當(dāng)量密度ECD的計算分別為：

pL=ECD×g×H

(3)

(4)

式中：ρ為鉆井液密度，g/cm3；ρs為巖屑密度，g/cm3；Ca為環(huán)空巖屑濃度，%；pa為環(huán)空壓耗，MPa；g為重力加速度；H為井深，m。

其中環(huán)空巖屑濃度計算式為：

(5)

式中：t為鉆速，m/h；d0為鉆桿外徑，cm；d為井眼內(nèi)徑，cm；vc為鉆井液環(huán)空返速，m/s；vs為巖屑沉降速度，m/s。

當(dāng)流態(tài)為紊流時，井段環(huán)空壓耗[9]為：

(6)

式中：L為鉆桿長度，m；f為摩阻系數(shù)，無量綱。

在公式(6)中的參數(shù)除摩阻系數(shù)f以外均可通過現(xiàn)場設(shè)計資料獲得，而摩阻系數(shù)f采用 Dodge 和 Metzner 推導(dǎo)出的半經(jīng)驗公式[10]來計算：

(7)

式中：NRe為紊流的常規(guī)雷諾系數(shù)；n為流動參數(shù)，由公式(8)確定。

(8)

通過ECD和漏失井的水力學(xué)參數(shù)設(shè)計便可以求得單次漏失發(fā)生時的具體時間點的井底漏失壓力數(shù)據(jù)。

1.3 裂縫導(dǎo)流能力計算

基于單次漏失的錄井?dāng)?shù)據(jù)，可以全面分析該裂縫在漏失壓力變化下，鉆井液漏失能力的變化率，即裂縫的導(dǎo)流能力。通過對裂縫導(dǎo)流能力的定量分析可以得出該條裂縫對漏失壓力的敏感性，并指導(dǎo)該井后續(xù)堵漏作業(yè)及同區(qū)塊中相鄰井的鉆井液當(dāng)量密度設(shè)計與工藝參數(shù)設(shè)計。選取時刻1和時刻2，在計算時可以認(rèn)為這一次井漏發(fā)生后截取的這一段時間內(nèi)鉆遇裂縫的地層孔隙壓力po為不變的，則該次井漏裂縫的導(dǎo)流能力可以通過漏失流量與漏失壓力曲線的變化趨勢來表示，即裂縫導(dǎo)流能力K：

(9)

式中：V1為時刻1的漏失流量，m3/s；V2為時刻2的漏失流量，m3/s；p1為時刻1的漏失壓力，MPa；p2為時刻2的漏失壓力，MPa；po為地層孔隙壓力，MPa。

將漏失裂縫的導(dǎo)流能力和漏失壓力的關(guān)系進(jìn)行構(gòu)圖，得到了裂縫導(dǎo)流能力與漏失壓力的平面曲線圖，再對該曲線進(jìn)行微分便得到了該條裂縫在漏失壓力變化下，導(dǎo)流能力的變化。

2 致漏裂縫類型的識別

通過某井井漏時現(xiàn)場實時錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制漏失流量和漏失壓力的數(shù)據(jù)平面散點圖，再對散點圖擬合，然后對擬合曲線進(jìn)行微分得到裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖。對裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖擬合后得到裂縫導(dǎo)流能力和漏失壓力的變化趨勢圖，再通過裂縫導(dǎo)流能力的變化趨勢圖對鉆遇裂縫的性質(zhì)進(jìn)行識別與分類。

使用上述模型計算的某油田現(xiàn)場某井的兩次井漏的裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖見圖1、圖2。

(1)圖1實例為某井5 571 m處發(fā)生的漏失。從圖1可以看出，隨著漏失壓力的下降，裂縫的導(dǎo)流能力整體變化趨勢為持續(xù)降低。當(dāng)漏失壓力大于87.6 MPa時裂縫導(dǎo)流能力為正數(shù)，即隨著漏失壓力下降，鉆井液的漏失流量一直在增加。而當(dāng)漏失壓力小于87.6 MPa時裂縫導(dǎo)流能力變?yōu)樨?fù)數(shù)，即隨漏失壓力下降，漏失流量也在持續(xù)下降。針對該裂縫，其導(dǎo)流能力變化的臨界點為漏失壓力87.6 MPa，并存在達(dá)到臨界點前裂縫隨著漏失壓力下降漏失流量增加，當(dāng)?shù)陀谂R界點時裂縫又隨漏失壓力下降漏失流量顯著下降的現(xiàn)象。可以認(rèn)為發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)漏失壓力小于臨界點時，裂縫的閉合開始成為影響裂縫漏失流量的主要因素，從而導(dǎo)致漏失流量下降。我們把這一類型裂縫定義為誘導(dǎo)致漏裂縫。

(2)圖2實例為同一口井5 625 m處發(fā)生的漏失。在圖2中，隨著漏失壓力的下降，裂縫的漏液能力變化不顯著，并且整個漏失過程中也不存在導(dǎo)流能力正負(fù)變化的臨界點。可以認(rèn)為漏失壓力變化在整個漏失過程中對裂縫的漏失流量不產(chǎn)生主要影響，因此這一類型裂縫可以被定義為自然致漏裂縫。

圖1 某井5 571 m漏失的導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線

圖2 某井5 625 m漏失的導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線

圖1的擬合曲線為：

K=-0.96pL2+179.3pL-8 331.17

圖2的擬合曲線為：

K=0.25pL2-41.77pL+1 778.05

3 實例校驗

對某油田某區(qū)塊7口井的51次井漏數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，見表1。

基于致漏裂縫類型識別方法對51次井漏進(jìn)行區(qū)分，其中31次為誘導(dǎo)致漏裂縫，20次為自然致漏裂縫。在現(xiàn)場防漏堵漏作業(yè)中封堵的主要難題為誘導(dǎo)致漏裂縫。而誘導(dǎo)致漏裂縫的應(yīng)力敏感性較好，極易受到設(shè)置的工藝參數(shù)的影響，因此需要對致漏類型進(jìn)行區(qū)分。將誘導(dǎo)致漏裂縫類型區(qū)分出來之后，再通過統(tǒng)計法計算該區(qū)塊誘導(dǎo)致漏裂縫的漏失壓差與漏失流量的關(guān)系曲線，從而可以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場防漏堵漏作業(yè)。

依照上文可以得到51組數(shù)據(jù)的全結(jié)果及31次誘導(dǎo)致漏結(jié)果，將兩個結(jié)果進(jìn)行比對，從而進(jìn)行準(zhǔn)確性驗證。

表1 某油田現(xiàn)場7口井漏失裂縫性質(zhì)判斷

對7口井所有致漏裂縫的漏失數(shù)據(jù)(51次)進(jìn)行擬合(圖3)，擬合得出漏失方程為：

Δp=0.479 33VL0.598 6

(10)

圖3 某油田區(qū)塊51次漏失壓差與漏失流量的關(guān)系

對裂縫進(jìn)行分類后只對誘導(dǎo)致漏裂縫(31次)漏失數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖4)，得出漏失方程為：

Δp=0.964 54VL0.341 2

(11)

圖4 某油田區(qū)塊31次漏失壓差與漏失流量的關(guān)系

漏失壓力為孔隙壓力與漏失壓差之和，則潛山地層漏失壓力為：

pL=po+Δp

(12)

裂縫分類前后的漏失壓力計算結(jié)果分別為：

pL=po+0.479 33VL0.598 6

(13)

pL=po+0.964 54VL0.341 2

(14)

選取數(shù)據(jù)樣本中的一口井的一次漏失為例進(jìn)行校驗，該井在5 820 m處發(fā)生了井漏。漏失發(fā)生時工況為鉆進(jìn)，此時泵壓為15.7 MPa，泵沖為86沖，鉆井液密度為1.34 g/cm3，漏失流量為54 m3/h。

結(jié)合現(xiàn)場資料由漏失方程公式(10)計算51次漏失得出的漏失壓差為5.22 MPa，而由漏失方程公式(11)計算31次一類漏失得到的漏失壓差為3.76 MPa，依據(jù)鉆井工程設(shè)計方案，該井5 420～7 556 m層段的地層孔隙壓力當(dāng)量密度為1.19～1.22 g/cm3。依據(jù)漏失壓力方程公式(12)，計算出該層段的漏失壓力為73.09～74.8 MPa(51次漏失)和71.63～73.34 MPa(31次漏失)。根據(jù)鉆井工程設(shè)計的參數(shù)，由公式(5)(6)(7)計算出環(huán)空壓耗為5.15 MPa，鉆井液當(dāng)量密度為1.39 g/cm3，可以計算出漏失工況鉆進(jìn)時井底壓力為74.13 MPa。

由51次漏失數(shù)據(jù)計算的漏失壓力73.09 MPa<74.13 MPa <74.8 MPa，即鉆進(jìn)時井底壓力處于預(yù)測漏失壓力的區(qū)間。而31次漏失數(shù)據(jù)計算的漏失壓力71.63～73.34 MPa小于井底壓力74.13 MPa，說明鉆進(jìn)時井底壓力大于預(yù)測漏失壓力進(jìn)而導(dǎo)致漏失。通過校核，將裂縫類型識別并區(qū)分再進(jìn)行漏失壓力計算，計算結(jié)果準(zhǔn)確度更高、更符合現(xiàn)場的工程實際。

4 結(jié) 論

(1)新型統(tǒng)計法分析誘導(dǎo)致漏裂縫的漏失壓力和舊有的統(tǒng)計法相比具有更高的準(zhǔn)確性。方法更符合工程實際，能更好地指導(dǎo)今后的鉆進(jìn)工作及區(qū)塊工藝參數(shù)和水力參數(shù)設(shè)計。

(2)在現(xiàn)場和鉆井研究領(lǐng)域，都缺乏結(jié)合現(xiàn)場實時鉆進(jìn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的分析研究，從而導(dǎo)致了部分理論研究脫離了工程實際，不能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場鉆進(jìn)工作。后續(xù)研究者可以嘗試建立方法將二者緊密結(jié)合起來。